混凝土配合比设计方法的研究进展

邓 斌

东莞市中泰混凝土有限公司

混凝土配合比设计方法的研究进展

邓 斌

东莞市中泰混凝土有限公司

混凝土配合比设计是配制混凝土时涉及到的最基本也是最关键的一个问题。只要有混凝土原材料和设备，就能配制混凝土，但原材料的种类、性质和用量会影响混凝土的性能、质量与成本，进而影响混凝土结构的安全性、耐久性和经济性。所以，混凝土配合比设计的关键是根据原材料的种类和性质，确定其用量，使配制好的混凝土既有一定的经济性，又能满足结构设计要求的强度和耐久性。本文主要对混凝土配合比的设计方法进行了一定的研究。

混凝土；配合比；设计方法；研究进展

1、传统混凝土的配合比设计方法

传统的配合比设计方法是计算试配法，其计算准则基于逐级填充原理，即水与胶材组成水泥浆，水泥浆填充砂的空隙组成砂浆，砂浆填充石子的空隙组成混凝土，设计原则遵循假定容重法或绝对体积法。计算得到粗略配合比后，再按照所确定的材料用量，制备混凝土试件标准养护到28d龄期，最后再测试试件的有关性能；试件的性能若符合要求，即采用这组配合比；若不满足要求，进一步调整配合比。

绝对体积法认为混凝土材料的1m3体积等于水泥、砂、石和水四种材料的绝对体积和所含空气体积之和。假定容重法的原理基于绝对体积法，不同的是不以各种原材料的比重为依据，而完全借助于混凝土拌成物经振捣密实后测定的湿容重为依据。前者较繁，但适用范围广，理论较完整，有实用价值。后者简便易行，但要有充分的经验数据，需测定大量的混凝土湿容重。这两种方法都是以经验为基础的半定量设计方法，主要以满足强度和工作性能为主，配合比设计相对简单，也比较成熟。

2、基于经验的混凝土配合比设计方法

混凝土配合比设计中，大量参数靠查表选值，属于以经验为基础的半定量设计方法。随着物理、化学和计算机科学等现代方法和先进测试技术的应用，混凝土科学技术正走上从经验到理论、从定性到定量的发展道路。

相关专家对高性能混凝土配合比设计，提出一种全计算方法，修正了传统的绝对体积法。该方法的基础之一是混凝土材料组成的四项假定：(1)混凝土组成材料(包括固液气三相)具有体积加和性；(2)石子的空隙率由干砂浆来填充；(3)干砂浆的空隙率由水来填充；(4)干砂浆由水泥、细掺和料、砂和空气隙组成。要使高性能混凝土同时达到最佳工作性和强度，水泥浆与骨料的体积比应为35：65；水泥与细粉料的体积比应为75：25。由此导出高性能混凝土配合比设计的一系列解析计算式。按照他们提出的全计算法，对混凝土拌合物的设计，可以由公式计算得到。这有利于推进计算机在配合比设计中的应用。

3、基于紧密堆积理论的混凝土配合比设计方法

早在1955年就提出了基于最大密度或紧密堆积理论的混凝土配合比设计方法：将混凝土分为砂石体系和水泥浆体系，进行混凝土配合比设计时，首先应该根据砂石混合后的空隙率确定最佳砂石比，然后依据绝对体积原理通过试拌法确定水泥浆富余系数，再配制混凝土。

将混凝土分为砂石体系和水泥浆体系，然后分别对这两个体系进行优化，最终获得最佳的混凝土配合比。利用这种方法设计混凝土配合比时，首先确定水胶比、掺合料用量和减水剂用量，然后将细骨料和粗骨料按不同的比例混合后测定空隙率，选空隙率最小时的比例为最佳砂石比，最后根据测定的最小空隙率确定水泥浆用量，在0%～10%的范围内选择几个不同的水泥浆富余系数。然后根据计算出的几个混凝土配合比配制混凝土，测定每组混凝土的坍落度和力学性能，选定工作性能和力学性能都满足要求的一组混凝土的配比作为最终配合比。

针对现行普通混凝土的常规技术性能要求，以现行的混凝土配合比设计规范为基础，研究了一种基于紧密堆积理论的配合比设计方法，这种方法的关键是通过试验数据拟合出混凝土强度与最佳砂率之间的关系及混凝土强度与浆骨比之间的定量关系。此方法具有系统化、程序化的特点，依据此方法配制的混凝土在经济性上具有明显优势。

对混凝土的紧密堆积理论做了系统的研究。提出了密实度系数的概念，指出可以用粗骨料最大粒径和集灰比来表征密实度系数，随后又提出了基于密实度系数的混凝土配合比设计方法，并用大量的试验数据验证了这种方法既具有理论研究价值，也具有一定的工程适用性。

4、基于浆骨比的混凝土配合比设计方法

浆骨比对新拌混凝土和硬化混凝土的性能都有决定性作用。浆骨比是保证混凝土力学性能的核心因素，应使用等浆体体积法对混凝土配合比进行调整，以保持浆骨比不变。

利用传统的混凝土配合比设计方法计算出的配合比，尽管通过适配调整，也不一定是最优的，他们通过骨料试配，得到最佳浆骨比及最紧密堆积的骨料，利用现有规律建立了基于最佳浆骨比的混凝土配合比设计方法。采用浆骨比法确定了C70泵送混凝土配合比，这种方法工作量小，设计周期短，对和易性和耐久性的控制优于标准设计方法。

5、智能化优化设计方法

对混凝土配合比设计进行优化，能够节约原材料，减少环境污染，提高经济效益。人们将正交设计、均匀设计、人工神经网络模型等应用到混凝土配合比设计中，提出了优化数学方法。

其主要步骤为：1)进行大量的混凝土试验及性能测试；2)对获得的数据进行回归分析，建立混凝土组成和性能之间的预测方程，将其转化成以矩阵表达的约束方程；3)建立以混凝土成本价格为目标函数的优化设计模型；4)用非线性规划的单纯形法求得各组成材料用量；5)根据骨料含水量及吸水率对配合比进行调整。这种方法的优点在于使混凝土性能满足要求的前提下，成本最低。

总而言之，虽然混凝土配合比受很多因素的影响与制约，目前的设计方法也存在很多的不足，但不可否认这些方法都在一定程度上促进了混凝土科学技术的发展。相信各种混凝土配合比设计方法会随着混凝土科学研究的深入而得到不断的改进和发展，越来越完善。

[1]侯永利，郑刚，梁青.大流动性再生粗集料混凝土配合比设计方法[J].建筑材料学报，2016，02：364-368.

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